林果園雞舍橫向通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

張學(xué)軍，張寶安，史增錄

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊市 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

1 引言

果園專用雞舍是新疆南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)林中推廣使用的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小的半封閉式雞舍。冬春季節(jié)南疆地區(qū)氣候寒冷，冬季日均氣溫低于-10℃［1］，養(yǎng)殖戶在養(yǎng)雞過程中往往為防寒保暖將雞舍門窗長(zhǎng)時(shí)間密閉飼養(yǎng)，忽視通風(fēng)排氣［2］，這種情況會(huì)導(dǎo)致禽舍內(nèi)累積大量有害氣體?？諝赓|(zhì)量是肉雞、蛋雞養(yǎng)殖過程中重要的環(huán)境因素［3］，舍內(nèi)氣體大都由雞新陳代謝產(chǎn)生，成分較多而且性質(zhì)復(fù)雜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使雞誘發(fā)群體性疾病，雞生長(zhǎng)過程中對(duì)其危害最大氣體是NH3、H2S［4］。禽舍中NH3過高會(huì)誘發(fā)雞肺充血、水腫，產(chǎn)蛋下降，易感疾病，NH3濃度應(yīng)控制在20ppm之內(nèi)［5］；長(zhǎng)時(shí)間接觸H2S 可引起雞只發(fā)生氣管炎、腹水癥等疾病。雞舍內(nèi)H2S濃度一般控制在10ppm 之內(nèi)［6］。有害氣體超標(biāo)時(shí)應(yīng)立即采取積極有效的措施，以減低或杜絕對(duì)雞的危害。研究發(fā)現(xiàn)雞養(yǎng)殖過程中通風(fēng)不暢是百病之源［7］，冬季雞舍處理好通風(fēng)和保溫之間的矛盾，需合理地設(shè)計(jì)通風(fēng)口，進(jìn)而降低禽舍內(nèi)有害氣體濃度［8］。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）是針對(duì)預(yù)測(cè)流體流動(dòng)一種計(jì)算工具［9］?？朔趯?shí)際試驗(yàn)過程中人力物力耗費(fèi)及試驗(yàn)環(huán)境變化等物理因素，后處理結(jié)果可視化，直觀地反映禽舍內(nèi)氣體分布情況［10］。CFD 仿真分析在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)［11］對(duì)側(cè)墻進(jìn)風(fēng)的研究表明合理的進(jìn)風(fēng)窗利于減少禽舍通風(fēng)死角。文獻(xiàn)［12］通過CFD 模擬密閉式籠養(yǎng)雞舍氣體分布，發(fā)現(xiàn)側(cè)窗導(dǎo)流板與壁面傾角會(huì)影響禽舍氣流速度和溫度均勻性。上述研究為從事數(shù)值仿真提供了理論支撐。楊家飛討論表明，為使冬季雞舍內(nèi)通風(fēng)效率和保溫效果達(dá)到平衡的最佳通風(fēng)方式為橫向通風(fēng)，即最小通風(fēng)［13］。由此研究雞舍內(nèi)有害氣體流場(chǎng)分布狀況，優(yōu)化最小換氣通風(fēng)口，對(duì)冬季家禽養(yǎng)殖具有重要的意義。

2 材料與方法

2.1 林果園雞舍結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為新疆阿克蘇溫宿縣林果園推廣使用的示范性專用雞舍。我國(guó)西北地區(qū)禽舍夏季通常采用縱向通風(fēng)模式（最大通風(fēng)模式），冬季采用橫向通風(fēng)模式，可使風(fēng)速緩和，實(shí)現(xiàn)最小通風(fēng)換氣［2］。這里對(duì)雞舍橫向通風(fēng)的進(jìn)行了優(yōu)化。

雞舍及周邊概況：雞舍安置于上述地區(qū)農(nóng)戶果園中使用，試驗(yàn)果園占地約2畝，經(jīng)濟(jì)作物為蘋果樹。雞舍尺寸：長(zhǎng)×寬×高（m）=（3.5×1.8×2.8）m，整體框架式拼裝，方便裝卸，雞舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為帶保暖夾層的彩鋼板，內(nèi)部單層網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)，雞舍入口為上下斜面，設(shè)計(jì)有縱向通風(fēng)窗。底篩下方為可轉(zhuǎn)動(dòng)帆布，排泄物通過雞舍下篩網(wǎng)掉至帆布，外置把手搖動(dòng)時(shí)帶動(dòng)帆布旋轉(zhuǎn)，排泄物集中到一側(cè)排下，集中收集供果園樹木施肥［14］。林果園專用雞舍秋季使用現(xiàn)場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 林果園專用雞舍Fig.1 Forest Orchard Dedicated Chicken Coop

2.2 創(chuàng)建幾何模型

2.2.1 數(shù)值建模

研究過程中封閉夏季縱向通風(fēng)窗，以冬季雞舍封閉狀態(tài)為模擬對(duì)象。氣體流場(chǎng)模擬需要的物理模型和邊界條件均為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際情況為準(zhǔn)。對(duì)雞舍進(jìn)行建模時(shí)，模擬氣體在密閉空間的分布，將實(shí)際縱向窗口在建模時(shí)予以封閉，雞舍內(nèi)實(shí)際的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不能精準(zhǔn)模擬，在不影響流體模擬效果的前提下，對(duì)雞舍的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，單層網(wǎng)篩雞舍內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接簡(jiǎn)化為二維平面來(lái)觀察禽舍豎直方向氣體擴(kuò)散等分布狀態(tài)。用2D平面簡(jiǎn)化3D空間，利于建模和后期網(wǎng)格劃分等計(jì)算流程。模型簡(jiǎn)化過程中雞舍外圍護(hù)結(jié)構(gòu)建模時(shí)設(shè)置為恒溫表面。

雞舍內(nèi)溫濕度和有害氣體的影響因素諸多，成分復(fù)雜難以具體測(cè)量得到這些因素，以雞舍內(nèi)常見有害氣體NH3、H2S 分布進(jìn)行仿真模擬，以ANSYS work 平臺(tái)上的CFD 計(jì)算流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，借助Geometry 建立二維物理模型，在笛卡爾坐標(biāo)系中構(gòu)建雞舍正視二維1：1 模型，長(zhǎng)3500mm，高1800mm。舍內(nèi)雞的對(duì)禽舍氣流擴(kuò)散有一定影響，該模擬以目前該地區(qū)飼養(yǎng)的黑土雞為試驗(yàn)對(duì)象，雞頭、尾、腿等對(duì)舍內(nèi)氣場(chǎng)分布影響較小。假設(shè)雞所處區(qū)域整體以長(zhǎng)方體塊的形式存在，成年黑土雞體高300mm左右，假設(shè)初始狀態(tài)有害氣體釋放區(qū)域都在下層，建模時(shí)內(nèi)部線切割面（Split Facets at Interior Curves）將整個(gè)區(qū)域分成兩部分，標(biāo)定初始混合氣體區(qū)域?yàn)椋?～300）mm范圍，建模時(shí)標(biāo)記為Fluid-part-d，上層（300～1800）mm 區(qū)域?yàn)榭諝鈪^(qū)域，記為Fluidpart-up，如圖2所示。

圖2 雞舍二維模型及初始區(qū)域Fig.2 2D Model of Chicken Coop and Initial Area

2.2.2 網(wǎng)格劃分

采用2D planar 模型，網(wǎng)格尺寸全局化處理，使用ANSYS Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過程中，對(duì)各邊界命名，邊界層網(wǎng)格設(shè)置。舍內(nèi)有害氣體來(lái)源雞只的日常新陳代謝，氣體整體由下往上進(jìn)入，區(qū)域分界線命名為inter。雞舍內(nèi)空間是模擬仿真的關(guān)鍵部分，網(wǎng)格類型選擇全四邊形all quad，其在平面區(qū)域特別是拐彎處劃分質(zhì)量過渡較優(yōu)。長(zhǎng)寬方向等比例劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸自適應(yīng)，單位mm。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard Wall Functions）對(duì)近壁面區(qū)域網(wǎng)格劃分進(jìn)行優(yōu)化，減少整體網(wǎng)格數(shù)量，加快求解速度［12］。生成網(wǎng)格后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量及數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)為48158個(gè)；網(wǎng)格面為23562個(gè)，仿真總面積為6.3m2，劃分的網(wǎng)格拐角區(qū)域和邊界區(qū)域網(wǎng)格完整，無(wú)變形殘缺網(wǎng)格，由此網(wǎng)格來(lái)捕捉雞舍內(nèi)豎直方向氣體分布情況。

2.3 設(shè)置物理問題

雞舍進(jìn)風(fēng)口位置的開設(shè)尚未有具體與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或現(xiàn)有研究大都是探索階段［3］，考慮氣體濃度和擴(kuò)散速率及后期氣體瞬態(tài)殘差收斂等綜合因素，仿真初始擴(kuò)散速度設(shè)置為0.1m/s，其次由于氣體壓力差比較小，氣體所產(chǎn)生的體積變化不大，結(jié)合雞舍氣體性質(zhì)和存在環(huán)境，近似認(rèn)為不可壓縮粘性流體。在ANSYS Fluent CFD 平臺(tái)選擇基于壓力的求解器（Pressure-Based），通過動(dòng)量守恒方程（N-S方程）求解速度場(chǎng)，繼而通過重新推導(dǎo)質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）得到壓力速度耦合方法。不可壓縮粘性流體的N-S簡(jiǎn)化方程和連續(xù)方程為：

式中：ρ—微小單元體密度；u、v、w—?dú)怏w流速分量；t—時(shí)間；x、y、z—笛卡爾坐標(biāo)系方向；V—控制體；A—控制面，式（2）中前部分為控制體增加的質(zhì)量，后部分為控制面的凈通量。

由于密閉雞舍氣流無(wú)獨(dú)立進(jìn)出口，故模擬氣體擴(kuò)散屬于瞬態(tài)問題，設(shè)置過程中激活transient，添加重力加速度-9.81m/s2。舍內(nèi)氣體總體積不變視為理想流體。氣體混合無(wú)規(guī)則流動(dòng)，無(wú)彎曲流場(chǎng)和快速對(duì)流，采用湍流模型（Viscous-Laminar）。雞舍為立方體空間，由此不會(huì)產(chǎn)生計(jì)算域失真情況，選擇對(duì)于雞舍邊界層流動(dòng)回流等仿真性能效果突出的基于RNAS的湍流k-ε模型。在計(jì)算湍流區(qū)域氣體流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，理想雞舍空間視為不可壓縮氣體故不需能量方程支持。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］研究發(fā)現(xiàn)家禽日常新陳代謝產(chǎn)生有害氣體NH3、H2S濃度比接近6：4。初始狀態(tài)標(biāo)定混合氣體釋放區(qū)域在Fluidpart-d區(qū)域，該區(qū)域中NH3占比0.6，H2S占比0.4，對(duì)于fluid-partd部分添加的變量濃度比值value，邊界條件選擇整個(gè)計(jì)算域?yàn)榱黧w域，不設(shè)置出口。冬季雞舍內(nèi)保暖溫度高于室外，仿真溫度選擇18℃，轉(zhuǎn)化為絕對(duì)溫度為291.5。選擇species transport多組分流體氣相模型，mixture material 3種，NH3、H2S密度不同，在相同體積和速度下攜帶質(zhì)量、動(dòng)量和動(dòng)能均不同，初始狀態(tài)氣體物理參數(shù)，如表1所示。

表1 初始化氣體分布狀態(tài)及物理參數(shù)Tab.1 Initialized Gas Distribution Status Physical and Parameters

可得初始狀態(tài)多組氣體分布云圖，如圖3所示。Fluid Part–up區(qū)域添加材料是air，F(xiàn)luid-part-d區(qū)域添加NH3和H2S。

圖3 初始化氣體整體分布Fig.3 The Overall Distribution of the Initialized Gas

定義求解器過程中包括數(shù)值格式、收斂域的設(shè)置等操作，在迭代計(jì)算過程中，有害氣體動(dòng)量求解選擇求解精度相對(duì)較高的二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）。選擇適用雞舍氣體流場(chǎng)的邊界附近壓力梯度變化較小，且流場(chǎng)中壓力突變較小或者沒有的標(biāo)準(zhǔn)壓力差值格式（Standard Pressure）進(jìn)行迭代計(jì)算。經(jīng)過對(duì)殘差收斂性調(diào)整，迭代時(shí)間調(diào)整為0.01s，迭代步數(shù)為500，最大迭代步長(zhǎng)為20，得到殘差結(jié)果小于10-3，整體基本達(dá)到穩(wěn)定收斂的狀態(tài)。

3 結(jié)果與改進(jìn)優(yōu)化

3.1 氣體擴(kuò)散濃度分布

流體區(qū)域流體初始化，為體現(xiàn)仿真過程中氣體擴(kuò)散效果，在Fluid-part-d不添加air，全為NH3、H2S混合氣體。求解方法采用計(jì)算穩(wěn)定性較強(qiáng)的SIMPLE，為提高求解精度，離散格式選擇基于最小二乘單元的求解方法。之后進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果生成的分布云圖結(jié)果，如圖5所示。可以觀察到NH3和H2S在空間內(nèi)均有向上擴(kuò)散的趨勢(shì)，在part-up區(qū)域上部中間區(qū)域濃度較高，part-d區(qū)域是其初始分布狀態(tài)，雖含量高，但隨著擴(kuò)散的進(jìn)行有向上分布的趨勢(shì)。與此相反，air 從part-up 區(qū)向part-d 區(qū)擴(kuò)散。air 含量分布（0.84～0.92）mg/m3，在密閉空間內(nèi)分布變化不明顯。

從混合氣體分布圖，如圖4所示。可得出空間的上方濃度較高，其原因可能是混合氣體密度小于空氣密度，造成上部分濃度較高，最高值達(dá)1.15g/m3。

圖4 混合氣體濃度分布云圖Fig.4 Concentration Distribution Cloud Map of Mixed Gas

從擴(kuò)散速度，如圖5所示。得出雞舍上部和兩側(cè)擴(kuò)散速度較強(qiáng)，縱向近壁面區(qū)域達(dá)0.076m/s，考慮通風(fēng)情況，兩側(cè)滿足縱向通風(fēng)設(shè)計(jì)條件，上方可開設(shè)橫向通風(fēng)窗。

圖5 氣體擴(kuò)散速度分布云圖Fig.5 Gas Diffusion Velocity Distribution Cloud Map

3.2 氣體試驗(yàn)測(cè)量

研究過程中為驗(yàn)證CFD 通風(fēng)仿真與真實(shí)測(cè)量試驗(yàn)的差異性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)保持舍內(nèi)30只母雞的飼養(yǎng)狀態(tài)，于室溫達(dá)到18℃時(shí)對(duì)禽舍縱橫上中下方向各3點(diǎn)共27位置的NH3和H2S濃度進(jìn)行了測(cè)量，具體測(cè)量位置，如表2所示。氣體濃度分布狀態(tài)，如圖6所示。

表2 氣體濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體分布位置Tab.2 Specific Distribution Locations of Gas Concentration Monitoring Points

圖6 18℃NH3與H2S氣體濃度分布Fig.6 NH3 and H2S Gas Concentration Distribution at 18℃

18℃時(shí)，自上而下層氣體NH3濃度均值分別是9.9ppm、8.7ppm、7.1ppm；從圖6 分析NH3整體濃度分布在不同高度上差異明顯，在1.7m 層濃度最高，最高為12.3ppm。不同高度層H2S濃度變化差異較小，NH3和H2S整體分布是：同一層縱向中間區(qū)域NH3、H2S濃度比相鄰兩側(cè)濃度要低，縱向兩側(cè)墻區(qū)域NH3、H2S濃度最高，同一層近壁區(qū)域濃度要比中間區(qū)域高，可能是由于舍內(nèi)近壁區(qū)氣體湍流導(dǎo)致。其次試驗(yàn)測(cè)量舍內(nèi)NH3濃度高于H2S濃度。較仿真進(jìn)一步分析氣體的分布狀況，CFD仿真分析試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基本吻合。

3.3 CFD仿真結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上這里氣體分布云圖中混合氣體濃度集中于雞舍頂層區(qū)域以及氣體擴(kuò)散云圖，其初步結(jié)論：橫向雞舍頂部靠側(cè)墻位置利于設(shè)置通風(fēng)口的驗(yàn)證，如圖5所示。針對(duì)封閉式空間，在雞舍1/4側(cè)墻頂層設(shè)置（300×300）mm 普通禽舍排風(fēng)扇原尺寸的通風(fēng)出口。以CFD驗(yàn)真仿真，過程中以雞舍底部邊界為入口inter，設(shè)置初速度0.01m/s，增加的通風(fēng)出口邊界為出口outlet，進(jìn)出口氣體濃度分布云圖，如圖7所示。雞舍內(nèi)混合氣體濃度呈現(xiàn)均勻化低濃度分布，濃度均值為1.18mg/m3，而且總體分布狀態(tài)無(wú)氣體分布死角區(qū)域，達(dá)到通風(fēng)后舍內(nèi)氣體濃度均勻化減低的目的，經(jīng)過優(yōu)化后設(shè)計(jì)的通風(fēng)口作為出口時(shí)舍內(nèi)氣體擴(kuò)散死角消失。

圖7 帶出口的混合氣體濃度分布Fig.7 Concentration Distribution of Mixed Gas with Outlet

3.4 通風(fēng)控制系統(tǒng)

資料顯示，在雞舍外溫度較低時(shí)，采用合適的措施橫向通風(fēng)可以使溫差控制在2℃之內(nèi)，有害氣體濃度也會(huì)保持較低的水平［11］，針對(duì)禽舍通風(fēng)系統(tǒng)的控制，研究就過程中采取傳感器檢測(cè)氣體濃度，控制排風(fēng)扇啟停間歇通風(fēng)的方式。由此可建議在雞舍內(nèi)氣流濃度分布較大的上方靠近側(cè)墻體區(qū)域開設(shè)橫向貫穿的通風(fēng)口。由于研究對(duì)象是小型雞舍，在雞舍上方區(qū)域開設(shè)一組進(jìn)出口。

設(shè)計(jì)果園禽舍冬季橫向通風(fēng)系統(tǒng)，由機(jī)電控制柜、氣體傳感器、排風(fēng)扇、太陽(yáng)能電池板等組成，自動(dòng)供電通風(fēng)，構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 雞舍通風(fēng)單回路控制系統(tǒng)Fig.8 Single Loop Control System for Chicken House Ventilation

該系統(tǒng)基本工作原理是采用基于Siemens PLC 的控制器編程設(shè)置閾值控制橫向排風(fēng)扇運(yùn)行，雞舍兩側(cè)均安裝排風(fēng)扇，加快雞舍內(nèi)換氣，冬季長(zhǎng)時(shí)間通風(fēng)容易使雞感染流感等疾病，排風(fēng)扇換氣由新進(jìn)風(fēng)入口和排氣口組成，交換舍內(nèi)外氣體，確保室內(nèi)空氣流通。排風(fēng)扇不工作時(shí)，風(fēng)扇導(dǎo)流板封閉氣流口。在舍內(nèi)排風(fēng)扇區(qū)域安裝NH3、H2S檢測(cè)傳感器，檢測(cè)濃度閾值設(shè)置，超過氣體閾值，排風(fēng)扇啟動(dòng)，抽排風(fēng)，待氣體濃度低于閾值停止工作，實(shí)現(xiàn)間歇換風(fēng)。太陽(yáng)能電池板（型號(hào)：XZTX-40，工作電壓17.68V-25V）為系統(tǒng)運(yùn)行提供電能。系統(tǒng)運(yùn)行電壓為24V，控制系統(tǒng)實(shí)物，如圖9所示。滿足通風(fēng)換氣要求。使用的兩種氣體檢測(cè)傳感器，相關(guān)參數(shù)，如表3所示。雞舍允許最大NH3濃度約20ppm［5］，H2S濃度10ppm［6］。

表3 氣體檢測(cè)傳感器相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relevant Parameters of Gas Detection Sensors

圖9 雞舍通風(fēng)系統(tǒng)Fig.9 Ventilation System in Chicken Coop

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)密閉雞舍氣體擴(kuò)散的CFD仿真模擬，得出雞舍內(nèi)近兩側(cè)近壁面區(qū)域及上層靠近縱向側(cè)墻區(qū)域氣體濃度較高達(dá)到1.15mg/m3，擴(kuò)散速度較快，最高可達(dá)到0.076m/s。

（2）通過試驗(yàn)得NH3整體濃度分布在不同高度差異明顯，1.7m 層濃度最高為12.3ppm。不同高度層H2S 濃度變化差異較小，同一層縱向中間區(qū)域混合氣體濃度比相鄰兩側(cè)濃度低，縱向兩側(cè)墻區(qū)域混合氣體濃度相對(duì)較高。

（3）通過對(duì)橫向通風(fēng)口設(shè)置的驗(yàn)證性仿真，可使舍內(nèi)氣體密集死角區(qū)域消失，舍內(nèi)整體氣體低濃度均勻分布。

（4）設(shè)計(jì)雞舍通風(fēng)的單回路控制系統(tǒng)，通風(fēng)窗安置于禽舍上層靠側(cè)墻區(qū)域工作，可有效降低雞舍內(nèi)有害氣體，保持雞舍適宜的環(huán)境。研究為雞舍橫向通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。